CN102975082A - 基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，包括以下步骤：1)确定刀具的几何尺寸和检测精度；2)获取加工环境的立体图像，将加工环境中刀具路径外的图像进行删减；3)根据给定的刀位，将刀具和加工环境的图像通过图形硬件投影至图像平面上，降维得到二维图像空间，同时将图像数据保存至预设的干涉数组中；4)采用干涉检测图检测当前刀位的干涉状态，若为干涉模糊状态，则执行步骤5)；若为干涉确定状态或无干涉状态，则保存该干涉状态信息后，重新执行步骤3)；5)对干涉模糊状态的刀位进行进一步处理，确定该刀位的干涉状态并保存后，重新执行步骤3)。与现有技术相比，本发明具有检测速度快、效率高等优点。

Description

基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助制造技术，尤其是涉及一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法。

背景技术

五轴机床在通常三轴机床基础上增加了两个旋转轴，具有更好的刀具可达性，更快的材料去除率，更少的加工时间以及更好的表面加工质量。但由于多了两个自由度，五轴加工中更容易发生干涉碰撞。

五轴数控加工中的干涉问题分为局部干涉和全局干涉。局部干涉是在刀具切入被加工表面而引起过切。全局干涉是加工中机床主轴头及刀具会与被加工表面产生干涉，还可能与夹具及机床床身发生碰撞干涉。

碰撞干涉检测是数控加工过程仿真的重要内容，当前，大多数商用五轴CAM软件如UGS NX、CATIA等均提供过切检查与修正的功能。然而，当使用这些软件进行编程时，仍然需要大量的人机交互来避免碰撞，这些CAM系统不能自动地完成干涉避免。

经对现有技术的文献检索发现，以色列学者Ilushin等人探索了一种全局干涉检测中的精确多边形刀具求交算法，该方法可对任意形状的刀具和刀杆进行干涉检测，但仅仅在接触点处考虑可能的碰撞。同课题组Wein等人将Ilushin的方法扩展到刀具沿连续刀路运动的干涉检测中。每一路径上的干涉检测问题通过使用刀轴附近障碍物的放射投影方式得到关键曲面片的集合。然而，该算法仅能检测刀具与工件或刀具与机床部分的碰撞问题。

比利时学者Lauwers等人将碰撞检测集成到刀路生成过程中。将刀路规划模块、后处理模块以及机床仿真环境集成到同一系统中。该算法可以检测刀具与工件、刀具与机床以及机床运动组件之间的碰撞检测。然而，由于假定刀具为圆柱体，该算法不能应用到刀具的通用形式中，工件几何变化没有被考虑。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，该方法可以快速准确的对多轴加工中的干涉状态进行检测，从而快速获取无干涉的刀路，进行刀路验证及参数优化。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，包括以下步骤：

1)确定刀具的几何尺寸和检测精度；

2)基于层次二叉树的包围盒算法获取加工环境的立体图像，将加工环境中刀具路径外的图像进行删减；

3)根据给定的刀位，将刀具和加工环境的图像通过图形硬件投影至图像平面上，降维得到二维图像空间，同时将图像数据保存至预设的干涉数组中；

4)采用干涉检测图检测当前刀位的干涉状态，若为干涉模糊状态，则执行步骤5)：若为干涉确定状态或无干涉状态，则保存该干涉状态信息后，重新执行步骤3)；

5)采用最短距离矢量法对干涉模糊状态的刀位进行进一步处理，确定该刀位的干涉状态并保存后，重新执行步骤3)。

步骤2)中根据刀具的视景体表达，删去视景体之外的图像。

步骤3)中采用OpenGL的双缓存技术，将刀具和加工环境的图像复制到前缓存中，并投影至图像平面上，而后缓存中的图像直接保存至预设的干涉数组中。

所述的干涉检测图中每个用于检测的三角形区域用RGB颜色表建立索引，非干涉区域的RGB颜色值设定为黑色，若干涉检测图的内切圆检测区域内存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为干涉确定状态，若干涉检测图的内切圆检测区域内不存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为无干涉状态，若干涉检测图的内切圆检测区域边缘存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为干涉模糊状态。

步骤5)的最短距离矢量法根据干涉检测图中检测区域与刀具的轴线的最短距离判断干涉状态状态，若该最短距离小于刀具的半径，则为干涉确定状态，若该最短距离不小于刀具的半径，则为无干涉状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该算法结合了图形硬件的绘制加速性能和层次二叉树的简化优势来提高物体间碰撞检测的速度，对五轴加工干涉检测可获得快速近乎实时性能；

2、计算效率高、编程简单，适用于多轴数控加工刀路验证与参数优化中。

附图说明

图1为刀位点干涉检测分析流程框图；

图2为刀具几何体的参数表示，其中(a)为平底刀、(b)为球头刀、(c)为环形刀、(d)为锥形刀；

图3为刀具的视景体表达，其中(a)圆柱刀的正交投影，(b)锥形刀的透视投影；

图4为利用RGB颜色表检索三角形区域干涉状态的示意图；

图5为干涉检测图进行刀位的干涉状态检测的示意图，其中(a)为干涉确定状态，(b)为无干涉干涉状态，(c)为干涉模糊状态；

图6为最短距离矢量法检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定刀具的几何尺寸和检测精度；

步骤2；基于层次二叉树的包围盒算法获取加工环境的立体图像，将加工环境中刀具路径外的图像进行删减。

首先定义好一个视景体，用于渲染显示一个加工场景。视景体包括一个平行于屏幕的水平与垂直尺寸，其指向屏幕方向的深度预先定义好。视景体之外的场景将被裁减掉，视景体之内的场景被投影到二维图像缓存中，通过前后缓存交换后在屏幕上显示出来，这些图形功能可用OpenGL图形库实现。

针对在多轴加工中常见的平底刀、球头刀以及锥形刀等类型，如图2所示，建立刀具装配体的视景体近似表达。使用正交投影定义紧密包围刀具或刀杆的视景体，其中视景体的宽度和高度设置为刀具或刀杆的直径大小，如图3(a)所示。而透视投影用于锥形刀的情形，使视景体与刀具具有相同的锥形角，如图3(b)所示。

步骤3：根据给定的刀位，将刀具和加工环境的图像通过图形硬件投影至图像平面上，降维得到二维图像空间，从逻辑笛卡尔坐标系映射到物理屏幕坐标系中。采用OpenGL的双缓存技术，将刀具和加工环境的图像复制到前缓存中，并投影至图像平面上，而后缓存中的图像直接保存至预设的干涉数组中，而不与前缓存进行交换进行显示，后续干涉检测正是基于对该数组的分析。

采用OpenGL选择模式(selection mode)来检测视景体与包围体之间是否相交。OpenGL提供的选择机制，可将窗口的某个特定区域的物体渲染到点击区域，点击区域为整个视口，但像素并不被拷贝到帧缓存中。一旦包围盒与当前视景体相交，则OpenGL选择模式的点击缓存将受到包围盒的影响，相应的BSP树节点触发为可能存在碰撞。每一个包围盒用六面体多边形表达。最终所有BSP树叶节点中的包围盒被送往OpenGL管线完成干涉检测。

步骤4：采用干涉检测图检测当前刀位的干涉状态，若为干涉模糊状态，则执行步骤5；若为干涉确定状态或无干涉状态，则保存该干涉状态信息后，重新执行步骤3。

干涉数组缓存中的图像称为干涉检测图(CCM-colorful collision map)。对于每一个干涉检测的三角形都用24位整数索引，并与CCM中的RGB颜色相对应。所有这些三角形被送到OpenGL管线中渲染，进行深度缓存测试。在送往OpenGL管线之前，扫描每个三角形并赋给与RGB颜色模式相对应的唯一的24位整型数。经过扫描转换，一幅24位色的图像在后帧缓存中产生，如图4所示，该图像数据直接存储到预先定义的干涉缓存数组中，而不用与前缓存交换在屏幕上显示。

通过颜色查询表，对某个像素有影响的三角形可以被直接索引查找到。为了计算的方便，背景可以初始化为零值(0×00000000)，即黑色。因此如果在CCM内切圆像素区域存在非零值，则说明刀具与加工环境产生了干涉，如图5(a)所示，该刀位为干涉确定状态，如果在CCM内切圆区域没有发现非零值像素，如图5(b)所示，则可以认定刀位是无干涉状态，若在CCM内切圆边缘存在非零像素区域，如图5(c)所示，无法直接判断干涉状态，则判定为干涉模糊状态。

步骤5；采用最短距离矢量法对干涉模糊状态的刀位进行进一步处理，确定该刀位的干涉状态并保存后，重新执行步骤3)。最短距离矢量法根据干涉检测图中检测区域与刀具的轴线的最短距离判断干涉状态状态，若该最短距离小于刀具的半径，则为干涉确定状态，若该最短距离不小于刀具的半径，则为无干涉状态。

具体的判断过程如下：

如图6所示，V是刀具体的轴向矢量，D为平底铣刀的底平面中心点，F是工件表面一个被检测点，d是被被检测点F到刀具轴线的距离，h1为平底铣刀底面到刀具前端的距离，h2为平底铣刀底面到刀柄前端的距离，l是F在刀具轴线上的投影点E的高度。

则

DF＝F(x，y，z)-D(x，y，z)                (1)

在三角形DEF中，

$l=\left|\mathrm{DF}\right|\·\cos \mathrm{\θ}\frac{V\·\mathrm{DF}}{\left|V\right|}---\left(2\right)$

$d=\left|\mathrm{DF}\right|\·\sin \mathrm{\θ}=\frac{|V\×\mathrm{DF}|}{\left|V\right|}---\left(3\right)$

假定以r_holder表示为刀柄的半径，则当公式(4)成立时，会发生碰撞干涉：

整个干涉检测过程是在刀路中的离散刀位点上进行的。如果公式(4)成立，则该刀位为干涉确定状态，否则为无干涉状态。

通过本发明对螺旋桨虚拟加工过程干涉进行检测，在仿真切削时刀柄与工件发生了碰撞干涉，数控加工仿真系统暂停仿真并弹出对话框，报警提示用户发生了碰撞干涉，提醒用户采取修改NC代码等措施。

Claims (5)

1.一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定刀具的几何尺寸和检测精度；

2)基于层次二叉树的包围盒算法获取加工环境的立体图像，将加工环境中刀具路径外的图像进行删减；

3)根据给定的刀位，将刀具和加工环境的图像通过图形硬件投影至图像平面上，降维得到二维图像空间，同时将图像数据保存至预设的干涉数组中；

4)采用干涉检测图检测当前刀位的干涉状态，若为干涉模糊状态，则执行步骤5)；若为干涉确定状态或无干涉状态，则保存该干涉状态信息后，重新执行步骤3)；

5)采用最短距离矢量法对干涉模糊状态的刀位进行进一步处理，确定该刀位的干涉状态并保存后，重新执行步骤3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，其特征在于，步骤2)中根据刀具的视景体表达，删去视景体之外的图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，其特征在于，步骤3)中采用OpenGL的双缓存技术，将刀具和加工环境的图像复制到前缓存中，并投影至图像平面上，而后缓存中的图像直接保存至预设的干涉数组中。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，其特征在于，所述的干涉检测图中每个用于检测的三角形区域用RGB颜色表建立索引，非干涉区域的RGB颜色值设定为黑色，若干涉检测图的内切圆检测区域内存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为干涉确定状态，若干涉检测图的内切圆检测区域内不存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为无干涉状态，若干涉检测图的内切圆检测区域边缘存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为干涉模糊状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，其特征在于，步骤5)的最短距离矢量法根据干涉检测图中检测区域与刀具的轴线的最短距离判断干涉状态状态，若该最短距离小于刀具的半径，则为干涉确定状态，若该最短距离不小于刀具的半径，则为无干涉状态。

Images